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宽频抗电磁干扰材料和应用研究
电子科技大学张怀武

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摘要:本文就各种抗电磁干扰材料 (EMI)、抗电磁干扰滤波器进行了全面的分析。对近期研制的新型复合抗电磁干扰材料，纳米抗EMI材料，六角抗EMI材料、多层片式滤波器 (MCLF)申使用的低温烧结NiZnCu铁氧体材料，以及片式电感的制作工艺难点以及多层片式滤波器进行了大量的理论和实验研究，提出了解决的途径。一、引言电磁干扰 (EMI：Electro-Magnetic-Interference)是指不需要的电磁信号或噪声信号等对需要的电磁信号的干扰。在如今电子信息时代，随着信息高速公路、卫星通信、移动通信、计算机应用等的高速发展，电磁干扰 (EMI)在军事和民用电子信息领域的影响越来越严重，对公共环境和人身安全以及军事保密、安全造成了很大的危害。目前强制性的电磁兼容标准 (EMC)已经在世界范围内执行，一些发达国家在电磁兼容设计技术、材料技术、元器件技术等方面从70年代就开始研究，并形成一系列的标准加以应用。我国已于 1998年底宣布执行电磁兼容标准。但我国在此方面的研究起步较晚，在技术以及产品方面严重落后于发达国家，因此，对抗EMI材料和技术进行研究，自主研制开发我国的抗EMI器件已是势在必行。电磁兼容问题涉及面很宽，其核心是设法减少自身产生的电磁干扰和提高抗电磁干扰的能力。目前在电子设备和系统中通用的电磁兼容设计技术有接地、屏蔽、滤波三种，通常称之为抑制电磁干扰的三大技术。接地是将干扰信号引入接地端；屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或衰减干扰信号的电磁传输；滤波是阻止干扰频率信号通过而允许有用频率信号通过的一种技术。在这三种技术中，滤波技术是目前抑止电磁干扰最常见、最有效、最经济的一种手段。运用的方法也非常简单，在电气设备电源线的入口处插入抗EMI滤波器，滤波器可以把通过电源线传导的电磁干扰信号给予充分地抑制，换而言之，它既能抑制电气设备内部产生的电磁干扰，又能抑制外界电网传入的电磁干扰。美国在70年代就开始了铁氧体抗电磁干扰材料的研制，目前已能生产各类抗电磁干扰材料和器件。美国陶瓷-磁性公司主要产品集中在NiZn铁氧体材料上，通过铁氧体的复数磁导率与频率的关系，改变不同成分配方及掺杂来实现铁氧体阻抗的频率特性和衰减频域;制成宽频域抗EMI铁氧体材料和各种滤波器。美国STEWARD公司，FILTER CONECPTS公司分别研制成功14个系列和4个系列的抗EMI软磁材料，并应用于IBM公司、ZENITH公司和MOTOROLA公司的各种微型计算机、数字设备以及ATT信息系统，取得了良好的效果。同时，也大量用于军用电子装备上，便其更加完善。日本TDK公司有5大类抗EMI材料研制成功，也主要用于PC联网、数字设备中。富士公司则集中于 MMIC及IC用抗电磁干扰滤波器材料及器件的开发。国内在此方面的起步较晚，始于80年代。主要在软磁铁氧体材料和器件方面进行了大量的研究。电子科技大学，9所，国营899厂己合作开发出抗EMI材料6种、元器件5个系列，并初步解决了纳米晶软磁抗EMI材料的内层耦合及绝缘问题，使纳米晶软磁材料在抗EMI中得到有效应用。其他如东洋公司等单位也相继开发出系列产品并有了应用。现在国内市场上已有部分抗EMI材料、抗EMI元件、抗EMI滤波器面世。而用磁性和陶瓷材料制备的复合材料作为新型的抗电磁干扰材料，国内外都已有了一定的理论探讨，国内电子科技大学也巳开发出复合双性材料。二、抗EMI材料的性能要求作为抗EMI滤波器，要求衰减速度快，频带范围宽，同时应保证工作频率范围内信号不失真，能适应各种环境使用。这就对其磁芯材料提出了以下要求：第一，LC型，π型，T型抗EMI滤波器，要求高μi，高Bs。抗EMI滤波器的电感器尽量减少匝数，以得到小的分布电容，改善高频性能，扩展频带范围。如果是作为滤除较低频率的EMI信号或电源噪声滤波器使用时，磁导率要求更高(μi>1500)第二，低Hc，从而减小磁滞损耗；第三，高ρ，减小高频下涡流损耗；第四，高ωc(fr)，适当的截止频率，以展宽频段；第五，高Tc，以适应各类工作环境；第六，具有某一特定的损耗频率响应曲线，在需要衰减EMI信号的频段内损耗较大，足以把EMI衰减到最低电平，而在需要传输信号的频段内损耗较小，信号容易通过。不过，磁芯性能与其工作频率关系极大，而电磁波干扰信号的频率范围又相当宽，现在完全能满足上面六条要求的磁芯材料还没有。目前主要开发的抗EMI滤波器材料系列主要分为铁氧体系列、纳米晶软磁系列，六角Co2Z系列，复合双性系列四大类。表1显示了目前各种抗EMI材料性能指标的国际水平。表一各种抗EMI材料性能指标的国际水平（图片）三、Nizncu铁氧体的性能分析我们常用的软磁铁氧体主要是MnZn、NiZn两大系列。其中MnZn系产量大、用途广，适用于低频1MHz以下，它具有高μi、低损耗和高稳定性的优点。例如μi可达4×10⁴，μQ积一般为50~100万(100KHz)，最高可达20~300万。Bs可在0.5T以上，Hc可在1OA/m以下，ρ为lOΩ/m ，αμ/μi与 D/μi为10^-5~10^-6。NiZn系材料在1MHz以下的低频范围内，性能比不上MnZn系，但在1MHz以上，由于它具有多孔性及高电阻率，因而大大优于MnZn系而成为高频应用中性能最好的软磁材料。其电阻率ρ可达108Ω/m，高频损耗小(例如NiZn-40在1.5MHz时,tgδ/μi≦60×l0^-6，即Q=400~500)，故特别适用于高频1~ 30OMHz。而且NiZn材料的居里温度较MnZn高，Bs可高至0.5T，Hc亦可小至1OA/m。此外，NiZn系材料可以做到λ大，具有较大的非线性，可在高频或高频大功率以及磁致伸缩器件等申应用，又由于NiZn材料在工艺上没有氧化问题，故制造工艺比MnZn材料简单。下表2列出了常用的NiZn系铁氧体的性能指标。表2：常用的NiZn系铁氧体的性能指标（图片）注：“N”表示Ni，“X”表示Zn NiZn铁氧体材料可在lMH~30OMHz范围内使用，如果要进一步提高使用频率范围，可在NiZn材料中掺杂一定的CuO，即得到NiZnCu软磁铁氧体材料，NiZnCu铁氧体材料可工作lOMH~10OOMHz的频率范围内，符合宽频抗电磁干扰材料的设计要求。CuO的加入可以提高材料的Q值，但μ值却要降低，这是因为尖晶石铁氧体中少量的Cu2+离子倾向于占据八面体位(B位)。由于晶场的作用，位于八面体B位的Cu2+离子产生能级分裂，同时改变了Cu2+离子核外电子云的分布，造成Cu2+离子周围的点阵发生畸变，正八面体畸变为沿Z轴方向伸长或缩短的八面体，增大铁氧体材料的应力各向异性，从而使材料μ值有所降低。同时，少量CuO的加入在一定程度上也可以降低材料的烧结温度，CuO含量Xwt%对NiZnCu铁氧体烧结温度的影响如图1所示。（图片）图1 CuO对NiZnCu铁氧体烧结温度的影响 2/13/2007


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